| ← |
Онлайн-матеріали до міжфакультетського курсу |
→ |
| Всесвіт та його час і наше місце в них | Лекція#4 Передумови для існування на Землі складного життя |
Функціонування Землі |
| Exhaustion? Prosperity? — 04 | Exhaustion? Prosperity? — 05 | Exhaustion? Prosperity? — 06 |
Шановні слухачі!
Зробив я (Д.Ш.) тут нещодавно спробу на курсі зоології хребетних не записати голосову лекцію, як я це робив останнім часом, а просто перевести на українську та певним чином відкоригувати лекції по різноманіттю риб, що були представлені у текстовому вигляді. Зробив я це, великим чином, тому, що не встигав записати лекції. Під час онлайн-зустрічі спитав, який формат для студентів другого курсу біологічного факультету є більш прийнятним. Відповідь мене здивувала: текстовий.
В усякому разі, цю лекцію я спробую викласти у текстовому вигляді, хоча й з використанням презентації, що призначена для запису відео. Крім іншого, хочу у вас узнати ваші думки відносно оптимального формату. Може, з часом запишу відео, може — ні. В усякому разі, текстовий формат має дві величезні переваги. Його набагато простіше коригувати (знайшов помилку — виправив, знайшов щось цікаве — вставив, і це не потребує великих перебудов), і він є набагато більш стійким до фрагментів відео, до яких YouTube має претензії. Таким чином, сьогодні лекція має такий вигляд...
На слайді № 2 — фото, зроблене автором у Гайдарах на день бабака у 2021 році. Там, під горою, петляє Сіверський Донець... Це лише автору ця картина здається теплою, рідною? Для багатьох біологів характерно відчувати особливе почуття до Гайдар, де знаходиться біостанція Харківського університету, але річ не лише в цьому. Навіть порівняння з «Мисливцями на снігу», з яких починалася друга лекція, недостатньо, хоча воно й дає поштовх у потрібному напрямі. Так виглядає наш світ...
Природно, що ми відчуваємо теплі почуття до Землі. Цікаво було б зрозуміти, які саме характеристики роблять її вдалим місцем для життя.
Поверхня Землі заповнена надскладною сумішшю хімічних речовин. Різноманіття цих речовин — наслідок як різноманіття атомів, з яких вони складаються, так і наслідок різноманіття способів їх поєднання (коли йдеться про органіку). Щоб підтримувати це різноманіття, необхідно, щоб середовище на поверхні планети було динамічним, перебувало у русі, підтримувало колообіги речовин. Для того, щоб забезпечити цю динаміку, необхідно, щоб через поверхню йшли потужні потоки енергії. Таких потоків через поверхню Землі йде два. Сонячна енергія приходить із космосу, перетворюється на поверхні планети та знов розсіюється у космос. Крім того, з середини Землі йде, хоча й менш потужний, але також життєво важливий потік енергії земних надр. Це хтонічна (первинна, материнська) енергія Землі.
Земля перебуває у температурному діапазоні, у якому можливе існування води водночас (на різних ділянках) в усіх трьох агрегатних станах. Завдяки тому, що переходи води з одного агрегатного стану в інший треба витрачати багато енергії, це дуже стабілізує температуру на планеті. Ще одна рідкісна обставина — те, що в близькому температурному діапазоні Земля перебуває вже мільярди років.
Які причини зробили Землю такою сприятливою ареною для розгортання дива життя? Нам доведеться розглянути процеси, що є причиною існування зір, утворення Сонячної системи, Землі та Місяця.
Загалом, властивості Всесвіту є наслідками процесу, що його створив. Аналізуючи особливості Великого вибуху — «Великого Бабаху» — ми можемо впевнитися, що характеристики сучасного стану Всесвіту були визначені під час тієї фантастичної події. На наступних слайдах показана хронологія подій «Великого Бабаху». На слайді № 4 показано те, що відбувалося у перші 1-230 секунди.
Через секунду після створення Всесвіту в ньому вже почали утворюватися ядра Гідрогену (тобто протони). Зверніть увагу: українська хімічна номенклатура відрізняє водень (речовину) та Гідроген (елемент, з атомів якого утворено цю речовину). При обговоренні таких тем, як та, яку ми зараз розглядаємо, різні поняття для цих різних сутностей є дуже корисними.
Утворення елементів (нуклеосинтез) тривало протягом 200 секунд. Внаслідок цього процесу утворилися різні ізотопи Гідрогену та Гелію і зовсім невелика кількість Літію. Скоріше за все, цього недостатньо для утворення складних хімічних машин, якими є відомі нам живі організми. Незважаючи на те, що в історії Всесвіту було кілька мільйонів років, коли його температура була б сприятливою для земного життя, очікувати на появу такого життя в ті роки нема підстав.
Епоха нуклеосинтезу визначила хімічний склад Всесвіту. Цей склад поступово змінюється внаслідок процесу, який ми зараз будемо обговорювати детальніше. Втім, з точки зору змін хімічного складу, Всесвіт виник відносно недавно, і суттєво змінитися не зміг. В усякому разі, місце, де ми зараз перебуваємо (зі значною кількістю Оксигену, Карбону, Силіцію) є дуже нетиповим для Всесвіту в цілому.
Зорі на небі дуже різні, отож їх можна класифікувати за різними ознаками. У 1910 році два астрономи, що працювали незалежно (Ейнар Герцшпрунг з Данії та Генрі Рассел з США), побудували діаграми колір — світність, що відбивали залежність між світністю (чи абсолютною зоряною величиною) та спектральним класом (тобто, температурою поверхні) зорі. На діаграмі Герцшпрунга-Рассела добре видно дуже невипадково розташування зір: одні сполучення параметрів є дуже «популярними», інші лишаються вільними. Стало зрозуміло, що ця діаграма відбиває зв'язок між тісно пов'язаними параметрами та, ймовірно, дозволяє зрозуміти, як змінюються параметри зорі протягом її існування.
Як ви бачите, діаграму Герцшпрунга-Рассела можна намалювати різними способами... Літери O, B, A, F, G, K, M — це спектральні класи.
Сонце — досить типова зоря головної послідовності; втім, існують дуже різні й дуже неподібні до Сонця зорі.
Залежно від розміру (і меншою мірою — складу) зорі мають дуже різні життєві цикли. Вони народжуються у зоряних яслах (газових туманностях), стискаються гравітацією і запалюються внаслідок початку термоядерної реакції (якими бувають ці реакції — скоро обговоримо). Загалом, зоря — це більшою або меншою мірою стабільний (кінець-кінцем — загалом нестабільний) результат врівноваження двох сил, гравітаційного стискання та розкидання речовини внаслідок розтягнутого у часі термоядерного вибуху.
Кінцем зоряного життя можуть бути чорні діри (для масивних зір), газові туманності внаслідок вибухів наднових або скидання оболонки, нейтронні зорі, білі та коричневі карлики та інші дивні об'єкти. Газові туманності від загиблих зір можуть брати участь у народженні нових. Насправді усі ці головоломні події є наслідком головних рис Всесвіту, що визначилися у перші моменти його існування після Великого Вибуху. Ми бачимо тут наслідки самоорганізації, добору більш стійких об'єктів, виникнення дисипативних структур у потоках енергії. Попри усю різницю між зорею та живим організмом, на їхньому розвитку та еволюції визначається дія загальних закономірностей.
Звісно, нас цікавить доля Сонця. Вона непогано вивчена. Ми не можемо спостерігати зміни однієї зорі, тому що час нашого існування, а особливо здатності до якісних спостережень є незрівнянно меншим. Але уявіть собі прибульця, який перебуває на Землі лише короткий час: чи може він зрозуміти, як змінюються люди протягом їх онтогенезу? Звісно, може: не шляхом спостережень за певним об'єктом, а шляхом порівняння різних об'єктів, що перебувають на різних етапах свого життєвого шляху. На наступному слайді двома різними способами показана доля таких зір, як наше Сонце. Від молекулярної хмари до протозорі, потім — тривале існування жовтого карлика, поступове його перетворення на червоного гіганта, скидання зовнішньої оболонки та пост-існування у вигляді білого карлика. Найсуттєвішим для нас є те, що така зоря може тривалий час лишатися у стані відносно постійної кількості випромінюваної енергії, яке дає шанс для еволюції життя на своїй планеті в відносно стабільних умовах.
Нам пощастило з Сонцем. Нам пощастило з планетою, на якій ми існуємо. І нам пощастило навіть з місцем, яке займає Сонце у Чумацькому шляху. В англійській для позначення тих ділянок Сонячної системи та Галактики, де ми можемо існувати, використовується поняття «зони Золотоволоски». Мова тут йде про героїню дитячої казки (що відома у нас як «Три ведмеді»), яка потрапила у певне дивне місце. Щось їй там не підходило за розміром (стілець, миска, ліжко...), а щось опинялося у самий раз. Якщо Золотоволоска випадкова обирає одну з трьох мисок, з яких їх за розміром підходить лише одна, ймовірність щасливого вибору дорівнює 1/3. Якби ми обирали випадкове місце у Галактиці, нам було б потрібне набагато більше везіння. Але розрахунки ймовірності тут складніші, ніж у Золотоволоски у будинку ведмедів; тут треба зрозуміти, як на нашу оцінку нашого везіння впливає принцип спостерігача.
Почнемо з простішої проблеми. У Сонячній системі — 8 планет (після втрати Плутоном цього благородного статусу). Якщо ми випадковим чином обираємо одну з планет, наші шанси потрапити на Землю дорівнюють 1/8. Потрапити на Землю, де є такі туманні ліси, як на слайді № 2 в цій лекції — досить велика вдача. Ця вдача може бути ще більшою, якщо ми будемо випадково обирати якусь ділянку поверхні будь-якої планети нашої системи (при усій умовності поняття «поверхня», коли мова йде про газові гіганти Юпітер, Сатурн, Уран та Нептун). Річ у тім, що внаслідок величезних розмірів Юпітера шанси потрапити на нього є значно більшими, ніж шанси потрапити на відносно невелику Землю... У такому разі наше існування буде здаватися нам зовсім неймовірним.
Але чи можемо ми випадково обирати місце для свого існування, як Золотоволоска обирає для себе миску з можливого набору? Таке, життя, як наше, не могло з'явитися на Меркурії, Венері, Марсі, Юпітері, Сатурні, Урані, Нептуні та Плутоні, а також на будь-якому іншому небесному тілі Сонячної системи, крім Землі. Інше формулювання: таке життя, як наше, у Сонячній системі може існувати лише на Землі. Або ми існуємо на Землі, або нас нема; ймовірність збігу нашого існування і нашого розміщення на Землі — 1/1=1, інакше й бути не могло. Золотоволоска могла обирати миски (і після невдалої спроби зробити ще одну), а ми — ні. Ймовірність — це числова міра можливості події. У разі, якщо ми існуємо, ми можемо існувати лише на Землі; лише біля такої стабільної зорі, як Сонце; лише в такому затишному місці Чумацького шляху, як та ділянка рукава Оріону, у якій ми перебуваємо.
Тут обговорюються деякі вимоги до місця, де ми існуємо...
Насправді, нам важко твердо визначити, чи дійсно ми не могли існувати у якихось інших умовах. Уявіть себе ситуацію, коли ви слухаєте когось, хто каже: «ні, НІ ЗА ЯКИХ УМОВ я не погодився би на ній одружитися», і розумієте, що ваш співбесідник каже так лише тому, що намагався і у нього нічого не вийшло... В усякому разі найближча відома нам планета, що належить до іншої зоряної системи, не є однозначно негідною для нашого існування.
Іноді доводиться зустрічати й іншу крайність. Умови, що придатні для життя — це не ті умови, в яких можна виживати протягом певного часу. Як мінімум, це умови, в яких може ефективно проходити життєві цикли усіх видів, що утворюють мінімальну стійку екосистему. У більш широкому розумінні — це умови, в яких здатне з'явитися, еволюціювати та лишатися стійким життя.
Характерним прикладом нерозуміння вказаної обставини є байки, що розповідають про тихоходів. Це — дивні та привабливі тварини. Типові тихоходи живуть у краплях вологи на мохах та лишайниках, тобто на середовищах, що можуть зазнавати обводнення та висихання. Під час висихання тихоходи проводять певні фізіологічні перебудови та переходять у стадію барильця. Вони відкривають рот, через який випаровується вода. Це — яскравий приклад анабіозу, тобто стану, в якому життєві процеси зупинені майже повністю. На стадії барильця тихоходи переносять і вакуум, і радіацію, і нагрівання, і охолодження. Але власне жити вони можуть у достатньо вузьких умовах. Розмочуючи пробу моху з тихоходами, слід не перетримати її у воді, адже тихоходи можуть втонути! Підтримувати їх у живому стані — не така проста задача.
Обережно поставтеся до того, що сказано в цьому фрагменті фільму американського астрофізика та популяризатора науки Ніла Деграсса Тайсона. У перелічених важких умовах тихоходи не можуть жити, вони можуть переносити ці умови у дуже специфічному стані! А твердження, що тихоходи виносять перебування в окропі, є просто помилкою. В окропі барильце тихохода дуже швидко обводниться — з наслідками, які не важко передбачити.
До цього моменту ми обговорювали лише таке життя, яке нам знайоме. В цьому фрагменті фільму Ніла Деграсса Тайсона обговорюється гіпотетичне життя на Титані, супутнику Сатурну. Титан розташований далеко від «зони Золотоволоски», яку ми обговорювали, і гіпотетичне життя на ньому має бути побудованим на зовсім іншій основі ніж те, що ми можемо спостерігати. Під час місії НАСА Кассіні - Гюйгенс на його поверхню було спущено зонд, названий на честь Христіяна Гюйгенса, нідерландського фізика та механіка XVIII сторіччя.
Як ми зазначили на початку лекції, важливою характеристику нашого середовища є хімічне різноманіття, яке потребує різноманіття на рівні елементів. «Великий Бабах» створив лише Гідроген та Гелій, а також зовсім небагато Літію; здається, для нормального життя цього замало.
Як ви знаєте, по мірі збільшення у атомному ядру нуклонів (протонів та нейтронів), властивості атому закономірно (і періодично, відносно збільшення заряду ядра, що визначається кількістю протонів, або атомної маси, що залежить від кількості нуклонів загалом) змінюються. Хиба ми можемо уявити собі життя без Оксигену, Карбону та Нітрогену? Відкіля ж вони з'явилися? Утворилися з інших елементів! Як?
Здатність елементів до перетворення залежить від енергії, що утримує нуклоні у ядрі. Загалом, утворити навіть ядро Гелію 4 (що складається з двох протонів та двох нейтронів) досить складно. Протони мають позитивний заряд та відштовхуються один від одного внаслідок електростатичної взаємодії. Потрібна якась зовнішня сила, що наблизить їх настільки тісно, що сильна ядерна взаємодія виявиться сильнішою, ніж відштовхування. Як ви, будемо сподіватися, пам'ятаєте, існує чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна та слабка ядерні). Електростатичне відштовхування — це прояв електромагнітної взаємодії, яка проявляє себе як на малих, так і на великих відстанях. Сильні ядерні взаємодії проявляються себе лише на відстанях, що є співвимірними з величиною атомного ядра. Припустимо, ми подолали відштовхування між протонами і наблизили їх так, що їх поєднала сильна взаємодія (яка на малих відстанях є набагато сильнішою за відштовхування). Ми виграли в енергії пакування нуклонів. Навіть сумарна маса двох протонів та двох нейтронів у ядрі Гелію є меншою, ніж сумарна маса цих окремих часток — виник так званий дефект маси.
Куди поділася «дефектна» маса (тобто така маса, якої на вистачає)? Вона перетворилася на енергію і вивільнилася! Так працюють термоядерні реакції або ж реакції ядерного синтезу. Подивіться на слайд № 16. Там показана залежність енергії об'єднання, що доводиться на один нуклон, від кількості нуклонів у ядрі. На висхідній частині кривої (на вершині якої перебуває Ферум) синтез легких елементів дає виграш, що забезпечує виділення енергії під час термоядерних реакцій. Найважчі елементи, такі як Уран і Плутоній, також мають меншу енергію зв'язку, що доводиться на один нуклон. Наслідком цього є можливість самовільного розпаду важких елементів уході ядерних реакцій.
Саме синтез Гелію з Гідрогену є найпоширенішою реакцію, що відбувається у зорях. Не дивуйтеся поясненням, де фігурують то протони, то нейтрони: у подібних реакціях вони можуть перетворюватися, як це показано на схемі праворуч.
Насправді, хоча нуклони максимально ефективно упаковані саме у Ферумі, самовільні реакції можуть утворювати навіть елементи, дещо важчі за Ферум. Припустимо, якщо ми додаємо до Феруму Гелій, ми отримуємо ядро, де протони з нейтронами упаковані майже так же ефективно, як у Ферумі, і набагато ефективніше, ніж у Гелії, тож така реакція у потрібних умовах також може бути самовільною.
Але, звісно, найважчі ядра завдяки описаним процесам утворитися не можуть. Відкіля ж нам брати Платину для наших каталізаторів, Аурум для прикрас та Уран для ядерних бомб?
Тут показані процеси, завдяки яким з'явилися відомі нам елементи періодичної системи.
Таким чином, у нашому середовищі є важкі елементи завдяки тому, що вони вже були у газопиловій хмарі, з якої утворилася Сонячна система і Земля, як її складова.
У хмарі, з якої ми усі утворилися, були цікаві для нас елементи тому, що ця речовина вже пройшла через зоряні цикли.
Існують процеси, завдяки яким небесне тіло може захопити собі супутник. Втім, планети Сонячної системи утворилися не так. Незважаючи на те, що сучасні моделі припускають зміну розташування Урану та Нептуну після того, як вони утворилися, для Сонця вони не є чужорідними тілами. Процес утворення зорі може включати затримку певної кількості речовини на орбітах навкруги головного небесного тіла. До речі, склад планетарної речовини відрізняється залежно від відстані до зорі і може змінюватися з часом внаслідок її впливу.
На початку лекції ми включили у перелік передумов для існування складного життя на Землі потоки енергії, що йдуть через її поверхню. Як показано на слайді № 3, один з таких потоків — це випромінення Сонця, що розсіюється у просторі. Інший, другий, але настільки ж важливий процес — це потік тепла, що виходить з надр Землі. На наступній лекції ми обговоримо будову Землі детальніше, а зараз для нас важливим є те, що вона має розпечене ядро. Кожної миті частина тепла цього ядра проходить через поверхню Землі і її атмосферу та розсіюється у космосі. Які ж процеси забезпечили наявність такої внутрішньої «пічки» у нашої планети?
Тривалий час панувала думка, що Землю зсередини розжарює радіоактивний розпад важких елементів у її складі. Цей фактор, дійсно, впливає на планету, але його недостатньо. Більш важливим є тепло, що вивільнилося під час гравітаційної диференціації матеріалу, з якого побудована наша планета, під час її утворення. Ще одна важливе джерело тепла — енергія від ударів, які Земля зазнала під час свого існування; ми поговоримо й про цей процес.
Дуже грубо метеорити, що падають на Землю, можна розподілити на три групи: кам'яні, залізні та залізо-кам'яні; тобто (з врахуванням усієї приблизності такої термінології) метеорити складаються з двох головних компонентів. «Каміння» — це, перш за все, оксиди силікатів. «Залізо» — це суміш металів, утворений не лише атомами Феруму, а й близькими до нього елементами, що утворюються внаслідок того, що Ферум перебуває на відносно пологій ділянці залежності енергії зв'язку, що припадає на нуклон, від маси ядра. Ці метеорити — це залишки того матеріалу, з якого свого часу утворилася наша планета.
Що важче: каміння або залізо? Звісно, залізо. Порівняймо два стани планети. У першому каміння та залізо рівномірно перемішані. У другому більш важке залізо зосереджене у центрі, а легше каміння утворює зовнішню оболонку. Диференціація матеріалу планети, що забезпечить перехід від першого стану до другого, забезпечить значне зменшення потенційної енергії системи. Куди подінеться ця енергія? Перетвориться на тепло!
До речі, навіть у гіпотетичній холодній суміші заліза і каміння її стан не буде стійким. Прилетить ще один метеорит, вдарить таку планету і забезпечить її локальний нагрів. В тому місці, де компоненти планети розплавляться, вони почнуть розшаровуватися, виділяти тепло та розплавляти ділянки, розташовані поруч... Скінчиться це розшаруванням та нагріванням усієї планети.
Але ж це — історія, яка відбулася мільярди років тому, а Земля є розпеченою зсередини й сьогодні! Як це пояснити?
Уявіть собі дві металевих каструлі однакової форми та з однакового матеріалу, але різні за розміром. Наповнимо обидві окропом. Яка з каструль швидше охолоне? Звісно, менша. Чому?
Зі збільшенням розмірів каструлі та будь-якого іншого тіла площа його поверхні зростає пропорційно другому ступеню лінійного розміру, а об'єм — пропорційно третьому ступеню, тобто набагато швидше. Наслідком цього геометричного факту є те, що більші тіла мають менше відношення площі поверхні до об'єму. Втрата тепла є пропорційною до площі поверхні. Теплоємність є пропорційною до об'єму. Саме тому велика каструля остигає повільніше, ніж маленька.
А Земля? Земля — це настільки велика «каструля», що вона не втратила свої тепло за мільярди років свого існування! І не встигне втратити до самого свого кінця, що буде пов'язаним з перетворенням Сонця на червоного гіганта... А і Місяць, і навіть Марс, що також мали гарячі ядра, своє тепло вже втратили — оскільки є меншими за розміром. Під час наступної лекції ми обговоримо, наскільки важливе значення для нам мають гарячі надра нашої планети.
Ще одна особливість Землі, яка впливає на придатність середовища для нашого існування — наявність відносно великого супутника. Які це має для нас наслідки — обговоримо наступного разу. Зараз спробуємо пояснити цю особливість.
При спільному утворенні небесних тіл та їх супутників, супутники виявляються набагато меншими, ніж головне тіло. Крім іншого, це можна побачити, порівнюючи розміри Сонця та планет. Ми не будемо детально обговорювати ці причинно-наслідкові ланцюжки, але можна зазначити, що наявність менших за розміром і ближчих до Сонця планет земної групи (перша четвірка: Меркурій, Венера, Земля, Марс), а також набагато більших та розташованих далі від центральної зорі газових гігантів (другої четвірки: Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун) є наслідком зрозумілої закономірності. Ні, Місяць не міг зібратися водночас з Землею з одного з нею матеріалу — у такому разі він був би набагато більшим.
Є інший шлях отримання супутинків. Так, за межами орбіти Нептуну розташований пояс Койпера, «населений» карликовими планетами. Першим з них нам став відомим Плутон, який раніше також формально вважали планетою. Плутон та його супутник Харон можна розглядати, як подвійну карликову планету. Цікаво, що їх спільний центр мас розташований поза межами Плутона. Відносно Плутону Харон набагато більший, ніж Місяць відносно Землі. Їх співвідношення розмірів пояснюється просто: вони формувалися незалежно, а потім наблизилися один о одного настільки близько, що почали утримувати один одного своїм тяжінням.
Втім, цей другий шлях отримання супутників також не може пояснити особливості Місяця. Річ у тім, що його побудовано з того ж самого матеріалу, що й Землю, гірські породи цих двох тіл мають спільне походження. Так як же можна вирішити цю загадку?
Найпопулярніша на сьогодні гіпотеза — імпактна (ударна).
Виявляється, що удар, який утворив Місяць, мав бути нанесеним певним чином, по дотичній, з достатньо акуратно «розрахованою» силою. Також вважати цю обставину «вдачею», яка створила можливості для нашої появи? Можливо...
Які наслідки для Землі, як колиски життя, мало утворення відносно великого супутника, ми обговоримо на наступній лекції...